砷化鎵光導開關中流注自發輻射實驗的理論分析

劉 鴻，鄭 理，楊洪軍，楊 維，鄭勇林

(1.成都大學電子信息工程學院，四川成都 610106；2.成都工業學院機電工程系，四川成都 611730)

砷化鎵光導開關中流注自發輻射實驗的理論分析

劉 鴻1，鄭 理2，楊洪軍1，楊 維1，鄭勇林1

(1.成都大學電子信息工程學院，四川成都 610106；2.成都工業學院機電工程系，四川成都 611730)

分析了高增益砷化鎵光導開關中流注(即電流絲)一端不同輻射波長的自發輻射實驗現象，導出了不同輻射波長的輻射復合系數之間的關系，拓展了電流絲的自發輻射隨電流絲電流變化的數學模型.計算結果表明，絲電流相同時流注自發輻射的其他峰值強度略小于890 nm自發輻射強度.

砷化鎵光導開關；電流絲；輻射復合系數；輻射強度

0 引 言

光導開關(Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS)較之常規的脈沖產生器件具有獨特的優勢，高增益砷化鎵光導開關的物理機理對于光導器件的性能設計和工程應用具有重要意義[1-15]，研究高增益砷化鎵光導開關的物理機理，必須研究流注，即電流絲，在其頂部的輻射效應.在前期工作中，本課題組已經導出了砷化鎵光導開關流注頂部的單色光(890 nm)自發輻射公式[16].但砷化鎵材料對890 nm輻射波長的吸收系數較小，吸收長度≥50μm，此意味著890 nm輻射波長的光致電離效應有限.由于砷化鎵材料對輻射波長較小的自發輻射的吸收系數較大，因此有必要進一步研究輻射波長λ＜890 nm的自發輻射強度.

本研究導出了不同輻射波長的輻射復合系數之間的關系，拓展了流注自發輻射隨絲電流變化的數學模型，計算了輻射波長λ＜890 nm的另外3個自發輻射峰值強度以及典型的輻射波長λ=875 nm的自發輻射強度.研究發現，輻射波長λ＜890 nm的自發輻射強度在光致電離效應中具有重要的意義.

1 實驗現象分析

高增益砷化鎵光導開關中流注自發輻射的實驗研究表明[5]:在半絕緣砷化鎵光導開關中，流注頂部的自發輻射的相對發光強度 Iλ(任意單位)隨輻射波長λ的不同而變化，大約從輻射波長876 nm至890 nm的15 nm波長間隔之間存在4個相對發光強度峰值，并隨波長增加依序一個比一個較高，輻射波長大約為890 nm的輻射強度峰值最大，另外3個輻射強度峰值對應的輻射波長分別大約為，λ=885 nm，λ=881 nm和λ=876 nm.上述4個輻射強度峰值以及輻射波長λ=875 nm的輻射強度之間的比值[5]大約為，

2 基本理論

[16]中的公式(2)和(3)可以得到從流注發出的波長為λ的光子在單位時間通過單位面積進入緊鄰流注頂部的區域內的光子數為，

式中，ΔNλT為流注頂部發出的波長為λ的光子在單位時間內進入緊鄰流注頂部區域內的光子數，Stip為圓柱形流注頂部的面積，R為半絕緣砷化鎵材料的反射率，ST為流注的表面積，ηλ為輻射波長λ的復合輻射系數，n為流注內的平均載流子密度，τh為空穴的復合時間，VT為流注的體積，ΔNλ為流注區域單位時間輻射復合產生的波長為λ的光子數.

設輻射波長λ的輻射強度為Iλ，則由以光子數計算的光強度的基本公式寫為，

式中，h為普朗克常數，c為光速.

設輻射波長λl的輻射強度為Iλ1、光子數為ΔNλ1，輻射波長λ2的輻射強度為 Iλ2，光子數為ΔNλ2，則由式(3)得，

考慮輻射波長λ的光子的輻射復合系數ηλ為流柱區域單位時間輻射復合產生的波長為λ的光子數ΔNλ與單位時間電子—空穴對復合總數ΔNR的比率[16]，

則式(4)右邊分子分母同除以ΔNR變為，

由此得到不同輻射波長的輻射復合系數之間的關系，

目前，通過實驗已能夠測量某一輻射波長及其相應的輻射強度.已知輻射波長λ=890 nm的輻射復合系數η890≈0.13[16]，則由式(1)和(7)可以分別算得另外4個輻射波長對應的復合輻射系數:η885≈0.1269，η881≈0.1217，η876≈0.1163，η875≈0.1054.

由此，可將參考文獻[16]的公式(7)改寫為，

式中，PλT是在緊鄰流注頂部區域內測量的輻射波長為λ的輻射功率，e為電子的電量，u為載流子漂移速度，Strans為圓柱形流注的橫切面積，I為電流絲電流，Ith為流注頂部產生輻射的絲電流閾值，Pλ0是對應于絲電流閾值Ith時流注頂部輻射波長為λ的輻射功率，一般情況 Pλ 0=0.

在式(8)中分別代入不同波長及其相應的輻射復合系數，就可以計算出各輻射波長的輻射強度隨絲電流的變化規律.為了便于與報道的計算結果進行比較[16]，式(8)中各參數取值分別為:R=0.3，τh=100 ps，h=6.625×10-34J?s，c=3×108m?s-1，e=1.6×10-19C，u=ud=107cm/s(取 u等于GaAs中電子的高場飽和漂移速度ud)，StipT=Stip=Strans，VT=628 000μm3(考慮流注為圓柱體，取2r0=40μm，L=0.5 mm)，ST=65 312μm2，Ith=5A，P0=0.計算結果如圖1所示.

圖1 理論計算1 ns的最大光輸出能量隨絲電流的變化關系曲線圖

由圖1可知，對于同一絲電流I，5條輻射強度圖線從上往下分別對應λ=890 nm、λ=885 nm、λ=881 nm、λ=876 nm和λ=875 nm；輻射波長λ=885 nm的輻射強度圖線緊靠著λ=890 nm的輻射強度圖線，難以分辨；輻射波長λ=875 nm的輻射強度圖線在最下面，偏離λ=890 nm的輻射強度圖線的距離隨絲電流增加而增大.

3 結 論

高增益砷化鎵光導開關中電流絲的自發輻射具有重要理論意義.分析高增益砷化鎵光導開關的物理機理，必須研究流注的自發輻射規律.本工作進一步研究了輻射波長λ＜890 nm、特別是典型的輻射波長λ=875 nm的自發輻射強度問題，此為進一步研究光導開關的自激勵源(電流絲)的光致電離效應奠定了堅實的基礎.

:

[1]Mazzola M S，Schoenbach K H，Lakdawala V K，et al.Infrared Quenching ofConductivity at High Electric Fieldsin a Bulk，Copper-compensated，Optically Activated GaAs Wwitch[J].IEEE，Transactions on Electron Devices，1990 ，37(12):2499-2505.

[2]Schoenbach K H ，Kenney J S，Peterkin F E ，et al.Temporal Development of Electric Field Structures in Photoconductive GaAs Wwitches[J].Applied Physics Letters，1993，63(15):2100-2102.

[3]Loubriel G M，Zutavern F J，HjalmarsonH P，et al.Measurement of the Velocity of Current Filaments in Optically Triggered，High Gain GaAs Wwitches[J].Journal Applied Physics Letters，1994 ，64(24):3323-3325.

[4]Stout P J，Kushner M J.Modeling of High Power Semiconductor Switches Operated in the Nonlinear Mode[J].Applied Physics，1996，79(4):2084-2090.

[5]Zutavern F J，Baca A G ，Chow W W ，et al.SemiconductorLasers from Photoconductive Wwitch Filaments[C]//IEEE Pulsed Power Plasma Science Conf.Las Vegas:IEEE Press，2001:170-173.

[6]Kayasit P，Joshi R P，Islam N，et al.Transient and Steady State Simulationsof Internal Temperature Profiles in High-power Semiinsulating GaAs Photoconductive Switches[J].Journal Applied Physics，2001，89(2):1411-1417.

[7]Zutavern F J，Glover S F，ReedK W ，et al.Fiber-optically Controlled Pulsed Power Switches[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2008 ，36(5):2533-2540.

[8]劉鴻，阮成禮.本征砷化鎵光導開關中的流注模型[J].科學通報，2008，53(18):2181-2185.

[9]劉鴻，阮成禮，鄭理.砷化鎵光導開關的疇電子崩理論分析[J].科學通報，2011，56(9):679-684.

[10]Yang H C ，Cui H J，Sun Y Q，et al.High Power，Longevity Gallium Arsenide Photoconductive Semiconductor Switches[J].Chinese Science Bull，2010 ，55(13):1331-1337.

[11]劉鴻.非線性光導開關中的高場疇機制[J].成都大學學報(自科版)，2007，26(3)，228-231.

[12]Liu Hong，Ruan Chengli.“S-shaped”Negative Differential Conductivity of High GainGaAs Photoconductive Switches[C]//IEEE Lasers&ElectroOptics&ThePacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics，2009.CLEO/PACIFIC RIM apos；09.Shanghai，China:IEEE Press，2009:1-2.

[13]Liu Hong，Ruan Chengli.Streamer in High Gain GaAs Photoconductive SemiconductorSwitches[C]//17th IEEE International Pulsed Power Conference(PPC2009).Washington，USA:IEEE Press，2010:663-668.

[14]劉鴻，阮成禮.高增益砷化鎵光導開關中的光致電離效應[J].光學學報，2009，29(2):496-499.

[15]劉鴻，阮成禮.高增益砷化鎵光導開關中的的特征量分析[J].中國激光，2010，37(2):394-397.

[16]劉鴻，鄭理，程浩，等.砷化鎵光導開關中流注輻射實驗理論分析[J].成都大學學報(自科版)，2012，31(2):133-135.

Theoretical Analysis of Streamer Radiation in GaAs Photoconductive Semiconductor Switches(PCSS)

LIU Hong1，ZHENGLi2，YANGHongjun1，YANGWei1，ZHENGYonglin1

(1.School of Electronic Information Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China；2.Department of Electrical and Mechanical Engineering，Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China)

Abstract:The spontaneous radiative phenomenon of different wavelength of radiation at one end of a stre amer(i.e.current filament)in high gain GaAs photoconductive semiconductor switches(PCSS)was ana lyzed.The relationship among radiative recombination coefficients of different radiative wavelengths was in duced.And the mathematical model of spontaneous radiation of current filament with the change of current filament was expanded.The results show that the other intensity peaks of spontaneous radiation of the stre amer are slightly less than the spontaneous radiation intensity of 890nm when the filament currents are the same.

Key words:GaAs photoconductive semiconductor switch(PCSS)；current filament；radiative recombination coefficient；radiative intensity

TN365

A

1004-5422(2012)04-0324-03

2012-09-10.

四川省科技廳基礎應用研究計劃(2010JY0160)資助項目.

劉 鴻(1961—)，男，博士，副教授，從事光電子學與光導開關技術研究.